Исследование эффективности использования вторичного тепла газопоршневых установок для выработки электроэнергии
Розроблено схему утилізації вторинного тепла газопоршневих установок з метою виробки електроенергії теплосилових установках, які працюють на назькокиплячих робочих тілах. Визначено умови, при яких виробка електроенергії буде максимальною....
Gespeichert in:
| Datum: | 2009 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2009
|
| Schriftenreihe: | Геотехническая механика |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/32833 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Исследование эффективности использования вторичного тепла газопоршневых установок для выработки электроэнергии / Ю.И. Оксень, М.В. Радюк // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2009. — Вип. 81. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-32833 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-328332012-05-26T12:46:57Z Исследование эффективности использования вторичного тепла газопоршневых установок для выработки электроэнергии Оксень, Ю.И. Радюк, М.В. Розроблено схему утилізації вторинного тепла газопоршневих установок з метою виробки електроенергії теплосилових установках, які працюють на назькокиплячих робочих тілах. Визначено умови, при яких виробка електроенергії буде максимальною. The waste heat utilization scheme for gas engines for electricity generation by means of the power plants working on low-boiling working fluids is developed. Maximum electricity generation conditions are determined. 2009 Article Исследование эффективности использования вторичного тепла газопоршневых установок для выработки электроэнергии / Ю.И. Оксень, М.В. Радюк // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2009. — Вип. 81. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/32833 621.43:662.216.4.004.82:621.31 ru Геотехническая механика Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Розроблено схему утилізації вторинного тепла газопоршневих установок з метою виробки електроенергії теплосилових установках, які працюють на назькокиплячих робочих тілах. Визначено умови, при яких виробка електроенергії буде максимальною. |
| format |
Article |
| author |
Оксень, Ю.И. Радюк, М.В. |
| spellingShingle |
Оксень, Ю.И. Радюк, М.В. Исследование эффективности использования вторичного тепла газопоршневых установок для выработки электроэнергии Геотехническая механика |
| author_facet |
Оксень, Ю.И. Радюк, М.В. |
| author_sort |
Оксень, Ю.И. |
| title |
Исследование эффективности использования вторичного тепла газопоршневых установок для выработки электроэнергии |
| title_short |
Исследование эффективности использования вторичного тепла газопоршневых установок для выработки электроэнергии |
| title_full |
Исследование эффективности использования вторичного тепла газопоршневых установок для выработки электроэнергии |
| title_fullStr |
Исследование эффективности использования вторичного тепла газопоршневых установок для выработки электроэнергии |
| title_full_unstemmed |
Исследование эффективности использования вторичного тепла газопоршневых установок для выработки электроэнергии |
| title_sort |
исследование эффективности использования вторичного тепла газопоршневых установок для выработки электроэнергии |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| publishDate |
2009 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/32833 |
| citation_txt |
Исследование эффективности использования вторичного тепла газопоршневых установок для выработки электроэнергии / Ю.И. Оксень, М.В. Радюк // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2009. — Вип. 81. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
| series |
Геотехническая механика |
| work_keys_str_mv |
AT oksenʹûi issledovanieéffektivnostiispolʹzovaniâvtoričnogoteplagazoporšnevyhustanovokdlâvyrabotkiélektroénergii AT radûkmv issledovanieéffektivnostiispolʹzovaniâvtoričnogoteplagazoporšnevyhustanovokdlâvyrabotkiélektroénergii |
| first_indexed |
2025-07-03T13:16:48Z |
| last_indexed |
2025-07-03T13:16:48Z |
| _version_ |
1836631835473346560 |
| fulltext |
Геотехническая механика"
УДК 621.43:662.216.4.004.82:621.31
Ю.И. Оксень, к.т.н.
(ИГТМ НАН Украины),
М.В. Радюк, асп.
(Национальный горный университет)
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ВТОРИЧНОГО ТЕПЛА ГАЗОПОРШНЕВЫХ УСТАНОВОК
ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Розроблено схему утилізації вторинного тепла газопоршневих установок з метою ви-
робки електроенергії теплосилових установках, які працюють на назькокиплячих робочих
тілах. Визначено умови, при яких виробка електроенергії буде максимальною.
INVESTIGATION OF EFFICIENCY OF WASTE HEAT UTILIZATION
FROM GAS ENGINES FOR ELECTRICITY GENERATION
The waste heat utilization scheme for gas engines for electricity generation by means of the
power plants working on low-boiling working fluids is developed. Maximum electricity genera-
tion conditions are determined.
В последнее время на угольных шахтах Украины получает развитие коге-
нерационная технология сжигания метана, добываемого при дегазации уголь-
ных пластов, с целью выработки электрической энергии и тепла [1]. Техноло-
гия предполагает сжигание метана в газопоршневых установках (ГПУ). В
случаях, когда установки находятся на значительном удалении от тепловых
потребителей, использование вырабатываемого ими тепла затруднено, и оно
выбрасывается в окружающую среду. Представляется целесообразным ис-
пользовать это вторичное тепло для дополнительной выработки электроэнер-
гии с помощью теплосиловых установок (ТСУ), работающих на низкокипя-
щих рабочих телах (НРТ).
Целью настоящей работы является разработка схемы теплоутилизацион-
ной установки, использующей вторичное тепло горячей воды и уходящих из
ГПУ дымовых газов, для выработки электроэнергии, нахождение зависимо-
сти показателей ее энергетической эффективности от основных влияющих
факторов и определение условий, при которых выработка электроэнергии бу-
дет максимальной.
Исследование проводим для условий ГПУ JMS 620 фирмы Jenbacher, ко-
торая в номинальном режиме вырабатывает 3000 кВт электрической и
2918 кВт тепловой мощности в виде горячей воды с температурой 110°С.
Температура дымовых газов в номинальном режиме составляет 140°С, расход
4,5 кг/с.
Предлагаемая схема утилизации тепла приведена на рис. 1.
Выпуск № 81
Рис. 1 – Схема утилизации тепла горячей воды и уходящих дымовых газов
путем выработки электроэнергии в ТСУ
На рисунке показаны ГПУ, работающая на метановоздушной смеси
(МВС), с электрическим генератором ЭГ1, и элементы ТСУ: турбина Т, рабо-
тающая на НРТ, с электрическим генератором ЭГ2, конденсатор К, насос Н2,
теплообменники ТГВ, ТО1 и ТО2. Циркуляция горячей воды системы охлаж-
дения ГПУ осуществляется с помощью насоса Н1.
Термодинамическим циклом ТСУ является цикл Ренкина на перегретом
паре. В зависимости от характера поведения пограничных кривых рабочих
тел он может иметь различный вид. Для рабочих тел, у которых на верхней
пограничной кривой производная 0ds/dT sat , цикл ТСУ будет иметь вид,
представленный на рис. 2a. Для рабочих тел, у которых производная
0ds/dT sat , цикл ТСУ будет иметь вид, представленный на рис. 2б.
а) б)
Рис. 2. – Термодинамические циклы ТСУ для рабочих тел, имеющих
различный наклон верхней пограничной кривой
Точки 1-6 цикла соответствуют точкам входа и выхода элементов ТСУ,
Геотехническая механика"
показанным на рис. 1. Точка 7 соответствует началу конденсации пара НРТ в
конденсаторе, а точки 8 и 9 – началу и концу кипения НРТ. Теплообменники
ТГВ и ТО1 выполняют роль парогенератора ТСУ. Низкотемпературный теп-
лообменник ТО2, в котором подогревается жидкое НРТ, служит для более
полного использования тепла дымовых газов и выполняет роль экономайзера
котельной установки. Подогревшись уходящими дымовыми газами в тепло-
обменнике ТО2, НРТ поступает в теплообменник горячей воды ТГВ, где на-
гревается до температуры кипения и преобразуется в пар. На выходе из этого
теплообменника пар НРТ может быть влажным, сухим насыщенным или пе-
регретым. Высокотемпературный теплообменник дымовых газов ТО1 служит
для окончания процесса парообразования и достижения необходимого пере-
грева пара НРТ.
В номинальном режиме тепловая мощность, отдаваемая горячей водой, и
ее температура имеют фиксированные значения, поэтому увеличение выра-
ботки электроэнергии может быть достигнуто за счет более полного исполь-
зования тепла уходящих дымовых газов. Пи этом будет увеличиваться тепло-
вая мощность теплообменника ТО2 и температура НРТ 5t на входе в тепло-
обменник ТГВ. Однако, возрастание температуры 5t ограничивается темпера-
турой горячей воды в ТГВ. На изменение температуры НРТ накладываются
также и другие ограничения, определяемые графиком изменения температур
греющих и нагреваемой сред в теплообменниках ТО1, ТО2 и ТГВ (рис. 3).
Математически система ограничений имеет вид неравенств:
- по температуре кипения НРТ в критическом сечении теплообменника
ТГВ (в сечении, в котором НРТ начинает закипать)
криткриткип ttt , (1)
Рис. 3 – Изменение температур НРТ и греющих сред – горячей воды и дымовых газов –
в теплообменниках ТО1, ТО2 и ТГВ
- по температуре конденсации НРТ
Выпуск № 81
конд2wконд ttt , (2)
- по максимально возможному нагреву НРТ
1дг1дг1 ttt , (3)
2гв2гв5 ttt , (4)
- по максимально возможному охлаждению дымовых газов
2дг62дг ttt , (5)
3дг43дг ttt , (6)
где кондt и кипt – температуры конденсации и кипения НРТ; 1t , 4t и 5t – тем-
пература НРТ в точках 1, 4 и 5; критt – температура горячей воды в критиче-
ском сечении теплообменника ТГВ; 1дгt , 2дгt и 3дгt – температура дымовых
газов перед ТО1, после ТО1 и после ТО2; 2wt – конечная температура охлаж-
дающей воды в конденсаторе; кондt – минимальный температурный напор
между НРТ и охлаждающей водой в конденсаторе; критt – минимальный
температурный напор между НРТ и горячей водой в критическом сечении те-
плообменника ТГВ; 1дгt и 2дгt – минимальные температурные напоры на
горячем и холодном концах теплообменника ТО1; 3дгt – минимальный тем-
пературный напор на холодном конце теплообменника ТО2; 2гвt – мини-
мальный температурный напор на холодном конце теплообменника ТГВ.
Кроме влияния полноты использования тепла дымовых газов (температу-
ры 5t ) также представляет интерес вопрос влияния перегрева пара НРТ перед
турбиной на выработку электроэнергии. Перегрев пара оценивается разно-
стью температур
61 tttпрг .
При заданных температурах горячей воды 1гвt , 2гвt , дымовых газов 1дгt , тем-
пературе охлаждающей воды 2wt , температуре перегрева пргt и минимальных
температурных напорах на концах теплообменных аппаратов и в критическом се-
чении, а также расходах горячей воды и дымовых газов, расчет параметров цикла
с максимальной эффективностью сводится к определению максимального давле-
ния в контуре НРТ в условиях ограничений (1) – (6). Расчет производился путем
совместного решения уравнений энергетического баланса отдельных элементов и
Геотехническая механика"
ТСУ в целом. Термодинамические свойства НРТ при этом рассчитывались по
уравнениям [2]. В связи с нелинейностью этих уравнений расчет цикла осуществ-
лялся методом последовательных приближений по специально разработанной
компьютерной программе.
Энергетические показатели определялись по формулам:
ТО2ТО1ТГВут QQQQ ,
41
нт
ii
ll
t ,
эднмехн
н
эгтмехттНРТэл
s
s
l
lmN ,
где утQ – утилизируемая тепловая мощность; ТГВQ – тепловая мощность те-
плообменника ТГВ; 1ТОQ , ТО2Q – тепловая мощность теплообменников ТО1
и ТО2 соответственно; элN – вырабатываемая электрическая мощность; t –
термический КПД цикла; т и н – изоэнтропные КПД турбины и насоса;
тsl и нsl – изоэнтропная работа турбины и насоса; 1i и 4i – энтальпия НРТ в
точках 1 и 4 цикла; НРТm – массовый расход НРТ; тмех и эг – механиче-
ский КПД турбины и КПД электрогенератора; нмех и эд – механический
КПД насоса и КПД его электродвигателя.
Расчеты производились при различных значениях перегрева пара НРТ пе-
ред турбиной пргt и его температуры на входе в ТГВ 5t для двух рабочих
тел – аммиака NH3, для которого цикл ТСУ имеет вид, представленный на
рис. 2а, и фреона R142B, для которого цикл ТСУ имеет вид, представленный
на рис. 2б.
Влияние степени перегрева пара перед турбиной на вырабатываемую
электрическую мощность показано на рис. 4
Рис. 4 – Зависимость вырабатываемой электрической мощности от перегрева пара перед
Выпуск № 81
турбиной при работе на фреоне R142B и аммиаке
Из рис. 4 видно, что увеличение степени перегрева пара приводит к сни-
жению выработки электроэнергии. Это объясняется тем, что в условиях бли-
зости температурных графиков нагрева НРТ и охлаждения греющих сред (ко-
нечная температура НРТ больше конечных температур греющих сред при их
противоточном движении) стремление повысить конечную температуру НРТ
приводит к необходимости снижения его расхода и температуры кипения. В
свою очередь, снижение расхода НРТ приводит к уменьшению количества
тепла, отбираемого от дымовых газов и, соответственно, общего количества
тепла, преобразовываемого в работу. Таким образом, в условиях данной уста-
новки не имеет смысла стремиться повысить температуру пара перед турби-
ной, а следует применить цикл с минимальным (в случае с фреоном R142B
нулевым) перегревом пара.
На рис. 5 и 6 приведены графики зависимостей энергетических показате-
лей установки от температуры НРТ на входе в теплообменник ТГВ 5t . Из
рис. 5 видно, что с увеличением 5t утилизируемая тепловая мощность увели-
чивается. С другой стороны, увеличение 5t приводит к снижению температу-
ры кипения НРТ и, соответственно, температуры пара перед турбиной, что
приводит к снижению термического КПД цикла (рис. 6).
Противоположное влияние температуры 5t на количество утилизируемого
тепла утQ и эффективность его преобразования в работу t приводит к появ-
лению максимума выработки электроэнергии при значениях 5t 50…51°С в
случае аммиака и 55…56°С в случае фреона R142B (рис. 7)
Рис. 5 – Зависимости утилизируемой мощности от температуры НPT 5t
на входе в теплообменник ТГВ при работе ТСУ на фреоне и аммиаке
Геотехническая механика"
Рис. 6 – Зависимость термического КПД ТСУ от температуры НРТ 5t на входе в теплооб-
менник ТГВ при работе на фреоне R142B и аммиаке
Рис. 7 – Зависимость вырабатываемой электрической мощности от температуры НРТ 5t
на входе в теплообменник ТГВ при работе ТСУ на фреоне R142B и аммиаке
На основе математического имитационного моделирования режимов ра-
боты теплоутилизационной установки установлено:
1) что в условиях низкого температурного потенциала и ограниченности
тепловой мощности горячего источника тепла увеличение степени перегрева
перед турбиной отрицательно сказывается на вырабатываемой электрической
мощности и наиболее эффективным является цикл с минимальным перегре-
вом пара;
2) использование в схеме рабочих тел, характеризующихся положитель-
ным наклоном верхней пограничной кривой, например фреона R142B, позво-
ляет выработать большую электрическую мощность, чем использование тел,
характеризующихся отрицательным наклоном верхней пограничной кривой,
например аммиака;
3) максимальная вырабатываемая из вторичного тепла рассмотренной ус-
тановки электрическая мощность (в случае фреона R142B) равна 276 кВт;
4) при определенной температуре рабочего тела на выходе из теплообмен-
ника ТО2 (50…51)°С в случае аммиака и (55…56)°С в случае фреона R142B)
имеет место максимум выработки электроэнергии. Это обусловлено тем, что
при увеличении этой температуры количество утилизируемого тепла возрас-
тает, но КПД преобразования его в работу снижается.
Выпуск № 81
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Булат А.Ф., Чемерис И.Ф., Перепелица В.Г., Подтуркин Д.Г. Когенерационные технологии – прогрес-
сивный путь решения проблем энергопотребления и энергосбережения в промышленных регионах Украины
// Енергозберігаючі технології та автоматизація: Держкоменергозбереження України. – Київ, 2002. – № 2
(26). – С. 44-46.
2. Перельштейн И.И., Парушин Е.Б. Термодинамические и теплофизические свойства рабочих веществ
холодильных машин и тепловых насосов. – М: Легкая и пищевая промышленность, 1984. – 232 с.
Рекомендовано до публікації д.т.н. Є.О. Кириченком 28.07.09
|